连作半夏化感作用初步研究

罗 敏，徐 广，谭秋生，章文伟，任星宇，邓才富

(重庆市药物种植研究所 中药材质量控制研究中心，重庆 408435)

药用植物栽培中普遍存在一个突出问题：随着药用植物年龄增加或重茬、连作，植株生长不良，中药材产量和品质大幅度下降，如当归[1]、地黄[2]、三七[3]等。由于中药材需求不断增加，实行连作或复种连作的面积越来越大，加之占我国栽培品70%左右的根茎类中药材中绝大部分均忌连作，因此，连作障碍已成为制约我国中药材产业发展的重大问题。药用植物连作障碍与其产生的化感物质密切相关，植物化感自毒作用是发生连作障碍的重要因素之一，相关报道已证明苍术[4]、当归[5]等中药材的连作障碍与自毒作用有关。

本课题组前期在对半夏的栽培研究中发现，半夏连作后更容易患块茎腐烂病，甚至有生育期缩短现象，严重影响药农和企业的种植积极性。连作障碍一直是制约半夏产业发展的重要原因，为半夏人工栽培发展的技术难题，因一直未能摸清其形成机理，故无法对症下药找准良方。本研究通过对半夏及根际土壤化感效应的初步研究，探索半夏不同浸提液对不同种子萌发化感效应的差异性，以期为半夏化感作用研究提供理论依据，并为进一步寻求植物间合理组合的生物防控技术来缓解连作障碍问题奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

半夏块茎、地上部及土壤均采自连作2年的半夏试验地，土壤为半夏根际土壤。受体半夏种子于2018年6月采自试验地；白菜种子为四季小白菜(京研益农种业科技有限公司)；狗尾草种子于2018年9月采自试验地周围。

1.2 浸提液制备

半夏块茎、地上部浸提液：将清洗晾干并去表皮的半夏块茎、清洗晾干的半夏地上部，分别称取200 g，充分研磨后分别加入1 000 mL蒸馏水，浸泡并振荡提取24 h，过滤，滤液离心，上清液定容至1 000 mL，得相当于200 mg/mL的半夏块茎、地上部浸提母液；分别稀释成25、50、100 mg/mL 3个质量浓度梯度，以0 mg/mL为对照(CK)，各处理按照浓度从小到大依次编号，块茎为CK、T25、T50、T100；地上部为CK、P25、P50、P100。

土壤浸提液：取200 g新鲜根际土壤，按照1∶2(w/v)的比例加入400 mL蒸馏水，充分振荡后静置过夜，离心取上清液，得相当于500 mg/mL的根际土浸提母液；稀释成50、100、250 mg/mL 3个质量浓度梯度，以0 mg/mL为对照(CK)，各处理按照浓度从小到大依次编号为CK、S50、S100、S250。

1.3 试验设计

挑选籽粒饱满、大小均匀一致的种子(半夏、白菜、狗尾草)，用10%双氧水消毒1 min，用蒸馏水冲洗2～3次；将20粒种子均匀播种在垫有2层滤纸、直径为9 mm的培养皿中，加入适量不同质量浓度的浸提液，以液体不淹过种子为准；每处理重复3次。将培养皿置于20℃、相对湿度60%的恒温培养箱内进行培养。每天补加适量对应的浸提液，以保证种子萌发及正常生长需要。

以胚根长度≥1 mm为种子萌发标准，发芽第6天计算发芽势，第10天统计发芽率。发芽势=当天发芽种子总数/供试种子数×100%；发芽率=全部正常发芽的种子数/供试种子数×100%。化感效应分析参照Willamson和Richardson的化感效应指数(RI)进行，RI=T/C-1，式中T为测定值，C为对照值。当RI>0时，为促进作用；RI<0时，为抑制作用；RI绝对值的大小与作用强度一致[6]。

2 结果与分析

2.1 半夏块茎浸提液的自毒化感效应

由图1和表1可知，半夏块茎浸提液对半夏、白菜及狗尾草的种子萌发具有明显影响。在本试验中，当浓度为T100时，半夏的自毒抑制作用最强，其种子的发芽率和发芽势均显著低于对照，分别比对照降低18.41%和29.84%，其化感指数分别为-0.10和-0.27。另外，在较低浓度T25时，其发芽率化感指数RI为0.00，说明半夏块茎浸提液低质量浓度对其自身种子的萌发没有影响或抑制作用不明显。

半夏块茎浸提液对白菜及狗尾草种子萌发的影响因浓度不同而存在差异。在T25时，二者的发芽率相对较高；且此时白菜、狗尾草种子发芽率的化感指数分别为0.005、0.02(>0)，说明低质量浓度对二者种子的发芽率具有一定的促进作用；而随着浓度的升高，其发芽率和发芽势均明显降低。

图1 不同浓度半夏块茎浸提液对3种植物种子萌发的影响

表1 不同浓度半夏块茎浸提液对3种植物种子萌发的化感指数

2.2 半夏地上部分浸提液的自毒化感效应

本试验半夏地上部分不包括珠芽和佛焰苞。由图2和表2可知，地上部浸提液在低质量浓度P25时对自身种子发芽率没有影响，在高质量浓度时则表现为抑制作用，且该抑制作用随浓度的升高而增强。对半夏种子发芽势的影响则表现为抑制作用，具有浓度效应，当质量浓度达100 mg/mL以上时抑制作用更显著。

半夏地上部浸提液对白菜及狗尾草种子的萌发具有明显的抑制作用，且该抑制作用具有浓度效应。不同浓度处理的白菜、狗尾草种子的发芽率均明显低于对照，在P100时，分别比对照降低了11.45%、9.25%。对发芽势的影响更显著，随着浸提液浓度的增加，二者发芽势呈显著下降趋势；在最大质量浓度P100时，分别比对照降低了38.30%、18.45%。白菜种子发芽势对浓度变化更为敏感，在50 mg/mL时下降显著。

图2 不同浓度半夏地上部浸提液对3种植物种子萌发的影响

表2 半夏地上部不同浓度浸提液对3种植物种子萌发的化感指数

2.3 连作半夏根际土壤浸提液的自毒化感效应

半夏根际土壤浸提液对自身种子萌发的自毒效应见图3和表3。在本试验中低质量浓度S50时，半夏种子发芽率与发芽势均与对照无显著差异，当质量浓度达100 mg/mL后差异显著，且S250时二者的化感指数分别为-0.25和-0.33。整体而言，半夏根际土壤浸提液对自身种子的萌发具有抑制作用，且该影响作用随化感物质溶液浓度的升高而增强。

半夏根际土壤不同浓度浸提液对白菜及狗尾草种子的萌发具有不同程度的影响。图3和表3表明，不同浓度处理的白菜种子发芽率和发芽势均显著低于对照，且随着浓度的升高均呈明显的下降趋势，最大浓度时分别降低14.43%和46.42%。低浓度对狗尾草种子的萌发没有影响或影响较小(RI=0.00)，但随浓度升高，发芽率和发芽势均不同程度地下降，S250时化感指数分别为-0.25和-0.15。以上均说明，半夏根际土壤化感物质对白菜及狗尾草种子的萌发具有抑制作用。

图3 不同浓度半夏根际土壤浸提液对3种植物种子发芽率和发芽势的影响

表3 半夏根际土壤不同浓度浸提液对3种植物种子萌发的化感指数

3 结论与讨论

前人通过对多种中药材的研究，普遍认为化感作用是生态系统中植物间自发进行的化学调控，自毒现象是化感作用的重要形式之一[7-9]。在自然界中，化感物质通过地上部雨水、雾滴淋溶、根系分泌物、植物残茬分解机气体挥发等途径释放的次生代谢产物在土壤中过度积累，从而对同一块土地种植同种或同科植物生长产生危害。

本试验通过模拟雨水淋溶途径研究发现，半夏块茎、地上部分及根际土壤中化感物质对受试种子的萌发具有化感作用，且不同部位、不同浓度的化感强度不同，不同作物的化感反应亦有差异。低浓度(25 mg/mL)地上部浸提液对半夏种子发芽率没有影响，但对发芽势具有自毒抑制作用；而低浓度块茎与根际土壤浸提液对半夏种子萌发均具有一定抑制作用，且该自毒抑制作用随浓度的升高而增强。低浓度(25 mg/mL)块茎浸提液对白菜种子萌发具有一定促进作用，但与对照的差异不显著。地上部及根际土壤浸提液对白菜种子萌发具有抑制作用，其中发芽势对浓度变化更为敏感，在50 mg/mL时下降显著。低浓度块茎浸提液对狗尾草种子萌发具有促进作用，而低浓度根际土壤浸提液对狗尾草种子的萌发没有影响或影响较小，地上部浸提液具有明显抑制作用。三种浸提液对受试种子萌发的抑制作用具有浓度效应，均随试验设置浓度的提高而逐渐增强。

相关研究表明，化感物质在半夏不同组织中的含量存在差异，且不同部位浸提液对小麦种子萌发及幼苗生长具有化感作用，叶浸提液存在低浓度促进、高浓度抑制现象[10]。半夏块茎浸提液对白菜种子萌发及幼苗生长具有化感抑制作用[11]，而其根际土壤浸提液对白菜种子发芽率和胚根生长有化感促进作用[12]。块茎浸提液对巴天酸模、反齿苋和灰绿藜3种杂草发芽率的影响达显著水平，且在浸提液中的化感物质达到一定量时，化感物质之间存在协同作用，而超过一定量则彼此之间存在拮抗作用[13]。在本研究中不同浓度对杂草狗尾草种子萌发的影响未达显著水平，一方面说明或许狗尾草对半夏体内的化感物质具有一定的耐受性；另一方面或许是浓度设置不够，此类猜想有待进一步研究。

以上研究结果说明半夏及其连作土壤中存在抑制种子萌发的化感物质，随着种植年限的延长，大量的半夏根系分泌物及残体腐解都会向土壤中释放大量的化感物质，从而抑制作物的生长，最终导致减产。因此，或许有望通过缩短半夏轮作间隔年限、与作物合理组合的生物防控技术改善生长环境相结合的方式来克服该连作障碍难题，此亦为下一步研究计划。